[发明专利]一种沥青基硬炭微米球储钠材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种沥青基硬炭微米球储钠材料的制备方法和应用，属于电化学储能技术领域。针对目前生物质类碳源残碳率低、高分子类碳源价格昂贵，以及制备硬炭微球过程复杂、耗时长、所得材料大小不均和球形度低等问题，本发明将沥青原料与碳质填料研磨过筛干燥得到固体混合物并加入减粘剂加热搅拌熔融混合，得到熔融混合料；再经多孔筛板从底部缓慢注入高压反应釜中并进行加热搅拌得到沥青微球，反应釜内提前灌入含表面活性剂的水溶液；将沥青微球减压干燥，在空气氛围中加热进行固化交联，在氮气氛围中加热炭化，得到沥青基硬炭微米球储钠材料。本发明制得的沥青基硬炭微米球储钠材料直径1～50微米，球形度大于90％，表现出优异的储钠能力。

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及一种沥青基硬炭微米球储钠材料的制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车和各种移动电子设备的快速发展，人们对于储能装置的性能需求变得越来越高。锂离子电池已大规模投入商业化生产，因锂资源紧缺导致其生产成本难以降低的问题难以解决。钠元素含量远大于锂元素，资源丰富，价格与锂相比更低，由于同主族的关系使得钠离子电池与锂离子电池拥有相似的特性，因此在大规模储能领域受到了越来越多的关注。钠离子尺寸大于石墨层间距，导致适用于锂离子电池的石墨材料难以在钠离子电池应用，开发具有高能量密度的负极材料对于钠离子电池的发展尤为重要。

目前人们已经寻找到其他碳材料用于钠离子电池负极，例如软炭、硬炭。其中硬炭是指难以石墨化的碳，呈现出短程石墨片层无序堆叠的结构，使得其层间距远大于钠离子尺寸，因此其具有较高的能量密度和出色的倍率性能，受到科研人员强烈关注。目前常用的碳前驱体多为生物质类、高分子类等。专利CN 115285969A以豆科植株的根部为碳前驱体，研磨粉碎后，经过预炭化以及高温炭化得到氮掺杂硬炭材料。专利CN 115207350A以干燥淀粉与酸酐为碳源，进行干法酯化反应，通过酯基形成结构稳定的交联淀粉，之后通过低温氢气还原、高温炭化得到硬炭负极材料。专利CN 112993248 A以人造石墨为碳源，将粘结剂溶于溶剂中，再加入人造石墨混匀，然后加入球形硬炭材料、导电剂混匀得到混合物，再将混合物先后进行热解与高温炭化得到硬炭材料。生物质碳前驱体普遍具有碳收率低、来源受季节性和地域性影响较大的缺点，高分子类材料则具有价格较高等问题，两者都难以投入至大规模商业化生产。而沥青自身由稠环芳烃构成，具有含碳量高、价格便宜、产量大等特点，以沥青为原料合成具有优异电化学性能的硬炭储能材料，对我国的可持续发展具有重大意义。

对硬炭材料进行结构设计可以有效影响其多种电化学性能，其中球状硬炭材料则展现出极高的体积能量密度，更适合用于电子设备储能装置中。专利CN109148865A以生物质为碳源，将其与盐酸等配置成前驱体溶液，经超声雾化生成液滴，并以惰性气体为载体流入管式炉，受热热解得到硬炭前驱体，最后通过高温炭化得到硬炭微球。专利CN 109148865A以氧化石墨烯和高分子材料为碳源，将其溶于有机溶剂得到复合物喷雾液，然后经过喷雾干燥和高温炭化制备得到硬炭复合碳微球负极材料。上述专利制备过程复杂耗时长，且所得硬炭微球大小不均匀，且球形度较低，严重影响了体积能量密度，该问题急需解决。

发明内容

针对目前生物质类碳源残碳率低、高分子类碳源价格昂贵，以及制备硬炭微球过程复杂、耗时长、所得材料大小不均和球形度低等问题，本发明提供了一种沥青基硬炭微米球储钠材料的制备方法和应用。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种沥青基硬炭微米球储钠材料的制备方法，将沥青原料与碳质填料研磨过筛并干燥得到固体混合物，然后在固体混合物中加入减粘剂通过加热搅拌熔融混合得到熔融混合料，在高压反应釜中提前灌入含表面活性剂的水溶液，再将熔融混合料经多孔筛板从底部缓慢注入高压反应釜中进行加热搅拌得到沥青微球，将沥青微球进行减压干燥，在空气氛围中加热进行固化交联，随后在氮气氛围中加热炭化，得到沥青基硬炭微米球储钠材料。

进一步，所述沥青原料包括石油沥青、煤焦油沥青中的一种或两种混合物。